專利名稱：基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，尤其是一種先進(jìn)行誤差補(bǔ)償計算或測量得到彈性恢復(fù)后的加工數(shù)模(即數(shù)學(xué)模型，下同)，再根據(jù)該加工數(shù)模進(jìn)行加工的誤差補(bǔ)償方法，具體地說是 一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
新型航空發(fā)動機(jī)中大量采用各類整體結(jié)構(gòu)件，如整體渦輪，整體渦輪結(jié)構(gòu)件較之分立鑲裝式組合件，無分立元件聯(lián)接，零件數(shù)量大為減少，質(zhì)量顯著減輕，可靠性顯著改善， 可使發(fā)動機(jī)的推重比、壽命和安全性大為提高。但整體渦輪工作在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速條件下，一般選用高溫耐熱合金材料，且葉片具有大扭曲異形面，數(shù)量一般在20個以上，流道空間狹小，因此整體渦輪葉片的加工是航空發(fā)動機(jī)制造中的一大難點(diǎn)。整體渦輪盤上均布有很多葉片，每片葉片加工質(zhì)量好壞都決定了整體渦輪是否合格。葉片加工中產(chǎn)生誤差的因素是一個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括工件變形、刀具剛性、機(jī)床精度和加工工藝等。由于葉片厚度薄，葉身長，且一端固定在葉盤上，另一端是懸空的，因此葉片實(shí)際加工中經(jīng)常會出現(xiàn)超差的情況，從而使整體渦輪報廢。所以，對整體渦輪葉片加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償就顯得十分重要。為了使加工后的整體渦輪滿足質(zhì)量的要求，通常在零件加工時留一定余量，根據(jù)葉片檢測數(shù)據(jù)或樣板進(jìn)行人工修正，這種加工方法一致性差、效率低、成本高。整體渦輪加工誤差補(bǔ)償還可以通過切削路徑偏移、增加剛性支撐等方法進(jìn)行， 但在實(shí)際應(yīng)用中效果都不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的航空發(fā)動機(jī)整體渦輪葉片加工精度因彈性恢復(fù)量難以控制而造成加工精度超差的問題，發(fā)明了一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，使用該方法加工的葉片具有精度高、多個葉片加工后一致性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合于整體渦輪葉片類零件的加工誤差補(bǔ)償。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，其特征在于在葉片加工前根據(jù)葉片材料和幾何參數(shù)用計算機(jī)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)法對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)，得到考慮了彈性恢復(fù)量的葉片的實(shí)際加工數(shù)模，按實(shí)際加工數(shù)模對葉片進(jìn)行加工，葉片加工后產(chǎn)生彈性恢復(fù)，使葉片偏離加工數(shù)模，趨向理論數(shù)模，實(shí)現(xiàn)葉片加工誤差的補(bǔ)償。所述實(shí)際加工數(shù)模是在理論數(shù)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行多截面偏移，再根據(jù)新的橫面重新設(shè)計而成，偏移方向與原始加工誤差方向相反，偏移的量由加工刀具離開工件后，工件產(chǎn)生的彈性恢復(fù)量決定；所述彈性恢復(fù)是加工過程中工件受到切削力的作用產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開工件，切削力消失，工件恢復(fù)到正常狀態(tài)的過程，彈性恢復(fù)量由試驗(yàn)法實(shí)際測量所得或通過計算機(jī)軟件解析確定。所述多截面偏移是把葉片理論數(shù)模平均分成若干個截面，分別對每個截面輪廊控制點(diǎn)處的偏移量由試驗(yàn)法或解析法進(jìn)行求解，通過偏移后的控制點(diǎn)重新生成新的截面輪
廓。 用計算機(jī)仿真軟件對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)的過程為
步驟10101 在CAD/CAM軟件中，運(yùn)用兩面求交線的方法繪制出葉片的5_10條截面線， 及截面線的控制點(diǎn)；
步驟10102 在有限元軟件中導(dǎo)入葉片理論CAD模型，其中包含截面線及控制點(diǎn)； 步驟10103 對葉片劃分有限元四面體單元，其中控制點(diǎn)處有節(jié)點(diǎn)； 步驟10104 定義葉片材料參數(shù)Ε、μ (線彈性材料彈性模量、泊松比)。步驟10105 葉片根部截面施加固定約束；
步驟10106 在某控制點(diǎn)施加工切削力F，包括力的大小和方向； 步驟10107 進(jìn)行有限元計算。步驟10108 獲取到葉片某控制點(diǎn)的彈性恢復(fù)量；
步驟10109 重復(fù)實(shí)施步驟10106—10108，直到各截面上的所有控制點(diǎn)的都完成計算； 步驟10110 輸出所有變形后控制點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，存入文本文件中，每行記錄一個控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)。步驟102 在CAD/CAM軟件中導(dǎo)入計算的變形后的控制點(diǎn)，測量各控制點(diǎn)與理論數(shù)模之間的差值；
步驟103 判斷葉片的彈性恢復(fù)量是否超差；如不超差則直接進(jìn)入步驟105 ；如超差，則進(jìn)入步驟104。步驟104 根據(jù)變形后的各控制點(diǎn)，生成偏移過的截面輪廓線，重新構(gòu)造整體渦輪葉片的加工數(shù)模
步驟10401 運(yùn)用樣條曲線命令把同一截面的控制點(diǎn)繪制成二條曲線，葉盆、葉背各繪制一條；
步驟10402 對葉盆、葉背曲線進(jìn)行光順處理，去除躁聲點(diǎn)；繪制進(jìn)氣口和出氣口圓角曲線，圓角曲線要與葉盆、葉背曲線二階連續(xù)；
步驟10403 對各截面的四條曲線進(jìn)行求和，使其成為一條封閉曲線，保證各截面曲線的起點(diǎn)相同；
步驟10404 運(yùn)用CAD軟件中過曲線組命令，選擇新生成的各截面封閉曲線，生成葉片新的實(shí)體數(shù)模即加工數(shù)模；
步驟10405 隱藏上次的葉片數(shù)模，把新的葉片數(shù)模在渦輪盤上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列并求和， 完成整體渦輪葉片的數(shù)模重構(gòu)。所述加工數(shù)模是在理論數(shù)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行多截面偏移，再根據(jù)新的橫面重新設(shè)計而成，偏移方向與原始加工誤差方向相反，偏移的量由加工刀具離開工件后，工件產(chǎn)生的彈性恢復(fù)量決定。所述彈性恢復(fù)是加工過程中工件受到切削力的作用產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開工件，切削力消失，工件恢復(fù)到正常狀態(tài)的過程，彈性恢復(fù)量由試驗(yàn)法或解析法確定。所述多截面偏移是把葉片理論數(shù)模平均分成若干個截面，分別對每個截面輪廊控制點(diǎn)處的偏移量由試驗(yàn)法或解析法進(jìn)行求解，通過偏移后的控制點(diǎn)重新生成新的截面輪廓。
所述原始加工誤差是在未進(jìn)行任何補(bǔ)償、未添加任何約束的情況下，正常加工后葉片與理論數(shù)模之間的差值。所述彈性恢復(fù)量由試驗(yàn)法測得選用與葉片相同的材料，相同的刀具及既定工藝參數(shù)，運(yùn)用理論數(shù)模進(jìn)行葉片的切削加工，加工出多個葉片。應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)分別測出每片葉片各截面控制點(diǎn)的彈性恢復(fù)量，并求出各點(diǎn)彈性恢復(fù)量的平均值。所述彈性恢復(fù)量利用解析的方法確定，利用數(shù)值仿真軟件在既定工藝參數(shù)情況下，計算出葉片加工時各橫面控制點(diǎn)的彈性變形量，從而確定彈性恢復(fù)量，彈性恢復(fù)量的計算是一個復(fù)雜的過程，需要多次迭代會更加準(zhǔn)確。本發(fā)明具有如下效果
1、通過數(shù)模的重構(gòu)能夠有效的控制加工誤差，提高加工精度。2、加工的葉片一致性好，效率高。3、補(bǔ)償過程在加工前完成，加工過程保持不變，可行性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明的整體渦輪葉片形狀示意圖。圖2為本發(fā)明的誤差補(bǔ)償方法原理示意圖。圖3為本發(fā)明的多截面偏移數(shù)模重構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明應(yīng)用計算法實(shí)施的流程圖。圖5為本發(fā)明應(yīng)用試驗(yàn)法實(shí)施的流程圖。圖6為本發(fā)明應(yīng)用計算、試驗(yàn)混合法實(shí)施的流程圖。圖中1、整體渦輪，11、葉片理論數(shù)模，12、未補(bǔ)償加工彈性恢復(fù)后的葉片形狀，13、 多截面偏移重構(gòu)后的葉片加工數(shù)模，14、補(bǔ)償加工彈性恢復(fù)后的葉片形狀15、帶有彈性恢復(fù)量的新控制點(diǎn)，16、通過新控制點(diǎn)生成的偏移后的截面線，101-105,201-206均為方法所對應(yīng)的具體實(shí)施步驟。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖4所示。一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，在葉片加工前根據(jù)葉片材料和幾何參數(shù)用計算機(jī)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)法對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)，得到考慮了彈性恢復(fù)量的葉片的實(shí)際加工數(shù)模，按實(shí)際加工數(shù)模對葉片進(jìn)行加工，葉片加工后產(chǎn)生彈性恢復(fù)，使葉片偏離加工數(shù)模，趨向理論數(shù)模，實(shí)現(xiàn)葉片加工誤差的補(bǔ)償。所述實(shí)際加工數(shù)模是在理論數(shù)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行多截面偏移，再根據(jù)新的橫面重新設(shè)計而成，偏移方向與原始加工誤差方向相反，偏移的量由加工刀具離開工件后，工件產(chǎn)生的彈性恢復(fù)量決定；所述彈性恢復(fù)是加工過程中工件受到切削力的作用產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開工件，切削力消失，工件恢復(fù)到正常狀態(tài)的過程，彈性恢復(fù)量由試驗(yàn)法實(shí)際測量所得或通過計算機(jī)軟件解析確定。所述多截面偏移是把葉片理論數(shù)模平均分成若干個截面，分別對每個截面輪廊控制點(diǎn)處的偏移量由試驗(yàn)法或解析法進(jìn)行求解，通過偏移后的控制點(diǎn)重新生成新的截面輪廓。其中使用 計算機(jī)仿真軟件對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)的過程為
步驟101 通過計算獲得葉片加工后各截面控制點(diǎn)處的彈性恢復(fù)量，具體步驟包括 步驟10101 在CAD/CAM軟件中，運(yùn)用兩面求交線的方法繪制出葉片的5_10條截面線， 及截面線的控制點(diǎn)。步驟10102 在有限元軟件中導(dǎo)入葉片理論CAD模型，其中包含截面線及控制點(diǎn)。步驟10103 對葉片劃分有限元四面體單元，其中控制點(diǎn)處有節(jié)點(diǎn)。步驟10104:定義葉片材料參數(shù)Ε、μ (線彈性材料彈性模量、泊松比)。步驟10105 葉片根部截面施加固定約束。步驟10106 在某控制點(diǎn)施加工切削力F，包括力的大小和方向。步驟10107 進(jìn)行有限元計算。步驟10108 獲取到葉片某控制點(diǎn)的彈性恢復(fù)量。步驟10109 重復(fù)實(shí)施步驟10106—10108，直到各截面上的所有控制點(diǎn)的都完成計算。步驟10110 輸出所有變形后控制點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，存入文本文件中，每行記錄一個控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)。步驟102 在CAD/CAM軟件中導(dǎo)入計算的變形后的控制點(diǎn)，測量各控制點(diǎn)與理論數(shù)模之間的差值。步驟103 判斷葉片的彈性恢復(fù)量是否超差。如不超差則直接進(jìn)入步驟105。如超差，則進(jìn)入步驟104。步驟104 根據(jù)變形后的各控制點(diǎn)，生成偏移過的截面輪廓線，重新構(gòu)造整體渦輪葉片的加工數(shù)模(如圖2、圖3所示)。具體步驟包括
步驟10401 運(yùn)用樣條曲線命令把同一截面的控制點(diǎn)繪制成二條曲線，葉盆、葉背各繪制一條。步驟10402 對葉盆、葉背曲線進(jìn)行光順處理，去除躁聲點(diǎn)。繪制進(jìn)氣口和出氣口圓角曲線，圓角曲線要與葉盆、葉背曲線二階連續(xù)。步驟10403 對各截面的四條曲線進(jìn)行求和，使其成為一條封閉曲線，保證各截面曲線的起點(diǎn)相同。步驟10404 運(yùn)用CAD軟件中過曲線組命令，選擇新生成的各截面封閉曲線，生成葉片新的實(shí)體數(shù)模即加工數(shù)模。步驟10405 隱藏上次的葉片數(shù)模，把新的葉片數(shù)模在渦輪盤上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列并求和，完成整體渦輪葉片的數(shù)模重構(gòu)。進(jìn)入步驟101進(jìn)入二次迭代驗(yàn)證。步驟105 如圖1所示，按照步驟104重構(gòu)的加工數(shù)模，加工出合格的整體渦輪葉片。實(shí)施例二。如圖5所示。本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于利用實(shí)驗(yàn)法對葉片的加工數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)的過程為
步驟201 按預(yù)定工藝參數(shù)，試切渦輪上的1個葉片，驗(yàn)證數(shù)控程序、裝夾方式等的合理性。對加工工藝參數(shù)進(jìn)行固化后再試切3個葉片。步驟202 運(yùn)用三坐標(biāo)測量機(jī)測量各截面控制點(diǎn)處的誤差，并以文本文件保存，每行記錄一個控制點(diǎn)坐標(biāo)。步驟203 判斷葉片誤差是否超差。如不超差則直接進(jìn)入步驟206。如超差，則進(jìn)入步驟204。步驟204 根據(jù)原始控制點(diǎn)和對應(yīng)誤差點(diǎn)的坐標(biāo)位置，在CAD/CAM軟件中采用鏡像的功能，鏡像軸為過原始截面線控制點(diǎn)的切矢，作出所有補(bǔ)償過的帶有彈性恢復(fù)量的新控制點(diǎn)。 步驟205 根據(jù)帶有彈性恢復(fù)量的新控制點(diǎn)，生成偏移過的截面輪廓線，重新構(gòu)造整體渦輪葉片的加工數(shù)模(如圖2、圖3所示)。具體步驟包括
步驟20501 運(yùn)用樣條曲線命令把同一截面的新的控制點(diǎn)繪制成二條曲線，葉盆、葉背各繪制一條。步驟20502 對葉盆、葉背曲線進(jìn)行光順處理，去除躁聲點(diǎn)。繪制進(jìn)氣口和出氣口圓角曲線，圓角曲線要與葉盆、葉背曲線二階連續(xù)。步驟20503 對各截面的四條曲線進(jìn)行求和，使其成為一條封閉曲線，保證各截面曲線的起點(diǎn)相同。步驟20504 運(yùn)用CAD軟件中過曲線組命令，選擇新生成的各截面封閉曲線，生成葉片新的實(shí)體數(shù)模即加工數(shù)模。步驟20505 隱藏上次的葉片數(shù)模，把新的葉片數(shù)模在渦輪盤上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列并求和，完成整體渦輪葉片的數(shù)模重構(gòu)。進(jìn)入步驟201，省去工藝參數(shù)固化過程，直接重新試切。步驟206 如圖1所示，按照步驟205重構(gòu)的加工數(shù)模，加工出合格的整體渦輪葉片。實(shí)施例三。如圖6所示。本實(shí)施例是實(shí)施例一、二的結(jié)合，它通過理論計算和實(shí)際測量來進(jìn)行加工數(shù)模的重構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證理論計算是否正確，再通過理論計算來確定試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)偏離值是否滿足計算要求，也就是通過混合法進(jìn)行整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償。它是計算法和試驗(yàn)法的綜合，具體步驟參考步驟101-105、步驟201-206。本發(fā)明未涉及部分，如計算機(jī)仿真軟件、應(yīng)力分析軟件等需要進(jìn)行重構(gòu)的軟件均為目前市場上可直接購置或開發(fā)較為簡單的軟件加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，其特征在于在葉片加工前根據(jù)葉片材料和幾何參數(shù)用計算機(jī)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)法對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)，得到考慮了彈性恢復(fù)量的葉片的實(shí)際加工數(shù)模，按實(shí)際加工數(shù)模對葉片進(jìn)行加工，葉片加工后產(chǎn)生彈性恢復(fù)，使葉片偏離加工數(shù)模，趨向理論數(shù)模，實(shí)現(xiàn)葉片加工誤差的補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，其特征在于所述實(shí)際加工數(shù)模是在理論數(shù)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行多截面偏移，再根據(jù)新的橫面重新設(shè)計而成，偏移方向與原始加工誤差方向相反，偏移的量由加工刀具離開工件后，工件產(chǎn)生的彈性恢復(fù)量決定；所述彈性恢復(fù)是加工過程中工件受到切削力的作用產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開工件，切削力消失，工件恢復(fù)到正常狀態(tài)的過程，彈性恢復(fù)量由試驗(yàn)法實(shí)際測量所得或通過計算機(jī)軟件解析確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，其特征在于所述多截面偏移是把葉片理論數(shù)模平均分成若干個截面，分別對每個截面輪廊控制點(diǎn)處的偏移量由試驗(yàn)法或解析法進(jìn)行求解，通過偏移后的控制點(diǎn)重新生成新的截面輪廓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，其特征在于用計算機(jī)仿真軟件對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)的過程為步驟10101 在CAD/CAM軟件中，運(yùn)用兩面求交線的方法繪制出葉片的5-10條截面線， 及截面線的控制點(diǎn)；步驟10102 在有限元軟件中導(dǎo)入葉片理論CAD模型，其中包含截面線及控制點(diǎn)；步驟10103 對葉片劃分有限元四面體單元，其中控制點(diǎn)處有節(jié)點(diǎn)；步驟10104 定義葉片材料參數(shù)Ε、μ ；步驟10105 葉片根部截面施加固定約束；步驟10106 在某控制點(diǎn)施加工切削力F，包括力的大小和方向；步驟10107 進(jìn)行有限元計算；步驟10108 獲取到葉片某控制點(diǎn)的彈性恢復(fù)量；步驟10109 重復(fù)實(shí)施步驟10106—10108，直到各截面上的所有控制點(diǎn)的都完成計算； 步驟10110 輸出所有變形后控制點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，存入文本文件中，每行記錄一個控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)；步驟102 在CAD/CAM軟件中導(dǎo)入計算的變形后的控制點(diǎn)，測量各控制點(diǎn)與理論數(shù)模之間的差值；步驟103 判斷葉片的彈性恢復(fù)量是否超差；如不超差則直接進(jìn)入步驟105 ；如超差，則進(jìn)入步驟104 ；步驟104 根據(jù)變形后的各控制點(diǎn)，生成偏移過的截面輪廓線，重新構(gòu)造整體渦輪葉片的加工數(shù)模步驟10401 運(yùn)用樣條曲線命令把同一截面的控制點(diǎn)繪制成二條曲線，葉盆、葉背各繪制一條；步驟10402:對葉盆、葉背曲線進(jìn)行光順處理，去除躁聲點(diǎn)；繪制進(jìn)氣口和出氣口圓角曲線，圓角曲線要與葉盆、葉背曲線二階連續(xù)；步驟10403 對各截面的四條曲線進(jìn)行求和，使其成為一條封閉曲線，保證各截面曲線的起點(diǎn)相同；步驟10404 運(yùn) 用CAD軟件中的過曲線組命令，選擇新生成的各截面封閉曲線，生成葉片新的實(shí)體數(shù)模即加工數(shù)模；步驟10405 隱藏上次的葉片數(shù)模，把新的葉片數(shù)模在渦輪盤上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列并求和， 完成整體渦輪葉片的數(shù)模重構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)模重構(gòu)的整體渦輪葉片加工誤差補(bǔ)償方法，屬于機(jī)械工程領(lǐng)域中的零件加工誤差補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。該方法在葉片加工前對葉片理論數(shù)模進(jìn)行重構(gòu)，通過重構(gòu)后的數(shù)模加工出的葉片誤差大大減小，能顯著提高葉片的加工精度。本發(fā)明的誤差補(bǔ)償過程在加工前完成，加工過程保持不變，可行性強(qiáng)，整體渦輪上多個葉片加工的一致性好，無需人工修形，效率高。
文檔編號G06F17/50GK102222149SQ201110185239
公開日2011年10月19日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者何磊, 王珉, 耿習(xí)琴, 郝小忠, 鮑益東 申請人:南京航空航天大學(xué)